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Lección 16. Polímeros

Materiales-G704/G742

Jesús Setién MarquínezJose Antonio Casado del Prado

Soraya Diego CaviaCarlos Thomas García

Departamento de Ciencia e Ingeniería del Terreno y de los Materiales

Este tema se publica bajo Licencia: Crea=ve Commons BY-‐NC-‐SA 4.0

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/

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Tema X: Polímeros y Compuestos Lección 16: Polímeros

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16.1 INTRODUCCIÓN

Polímero: material compuesto por moléculas de cadena larga, constituidas, cada una de ellas, por unidades repetitivas que se conectan entre sí, pudiendo haber miles o millones de unidades en una sola molécula.

La mayoría de los polímeros se basan en el carbono y, por consiguiente, son considerados sustancias químicas orgánicas:

Con excepción del caucho natural, los materiales poliméricos usados en inge-niería son sintéticos y están elaborados mediante procesos químicos, obteni-dos a partir del petróleo, el gas natural o el carbón.

- Polímeros naturales: lana, seda, caucho, celulosa, proteínas, etc.

- Polímeros artificiales: plásticos, elastómeros, siliconas, etc.

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Los polímeros son el resultado de un proceso de síntesis, partiendo de materias primas elementales.

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Los polímeros se sintetizan mediante la unión de muchas moléculas pequeñas (monómeros) para formar moléculas muy grandes, llamadas macromoléculas, las cuales poseen una estructura en forma de cadena.

Inicialmente, se dispone de los monómeros de forma aislada y, a través de una reacción química, se unen entre sí para constituir una macromolécula. Los átomos se mantienen unidos en esta molécula por medio de enlaces covalentes.

16.2 MECANISMOS DE POLIMERIZACIÓN

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Las principales vías de obtención de los polímeros sintéticos son: - Poliadición (iniciación, crecimiento y detención). - Policondensación (reacción por pasos).

Poliadición

Policondensación

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La forma de entrelazarse las cadenas condiciona el comportamiento del polímero (lineal, ramificado, reticulado, cristalino, amorfo, etc.).

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En función del número de monómeros diferentes que forman parte del polímero, se clasifican en:

- Homopolímeros: generados a partir de un sólo monómero.

- Copolímeros: sus moléculas están constituidas por unidades repetitivas de dos monómeros diferentes.

- Terpolímeros: generados a partir de tres monómeros diferentes.

- Blends: mezclas de dos o más polímeros.

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16.3 TIPOS DE POLÍMEROS

Termoplásticos: son materiales sólidos a temperatura ambiente, relativa-mente blandos y dúctiles, que cuando se someten a temperaturas de algu-nos cientos de grados se convierten en líquidos viscosos.

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PE (polietileno)

n

H H

C C

H H

  Nº 1 en producción.   Bajo coste (salvo UHMW).   Buen dieléctrico (cables).   Resistente a la humedad.   Expandible (espumable).   ρ < 1 (ligero).   Alta dilatación térmica.   Baja resistencia a la intemperie.   Agrietamiento bajo tensión.   Inflamable.

POLIETILENO (PE)

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Propiedades similares al HDPE: - Temperatura de servicio. - Dureza. - Rigidez. - Resistencia ambiental.

H H

C C

H CH3

PP (polipropileno)

n

POLIPROPILENO (PP)

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H H

C C

H

PS (poliestireno)

n

•   Sólo disponible en forma amorfa (transparente).

•   Resistente y frágil. •   Expandible (espumable), EPS.

POLIESTIRENO (PS)

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Desprendimiento de HCl en su descomposición.

Control de monómero residual libre en la industria alimentaria.

n

H H

C C

H Cl

+ Plastificante

Flexible (botellas, films...).

Rígido (tuberías, muebles...).

POLICLORURO DE VINILO (PVC)

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PMMA (polimetacrilato de metilo) H H

C C

H COOCH3 n

•   Disponible en forma atáctica amorfo (transparente). •   Aplicaciones ópticas (parabrisas, urnas...). •   Marca registrada: plexiglas®.

PET (tereftalato de polietileno) PBT (tereftalato de polibutileno) Poliésteres saturados con orientación molecular para producir fibras y películas.

PC (policarbonato)

•   Amorfo (transparente). •   Faros, CD’s, DVD’s, bolígrafos... •   Aislantes para líneas de alta tensión.

POLIÉSTERES

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PTFE (politetrafluoroetileno)

n

F F

C C

F F

•   Altamente cristalino y compacto. •   Bajo coeficiente de rozamiento (poder antiadherente). •   Alta densidad (2-2,3 g/cm3). •   Alta estanqueidad. •   No es inflamable. •   Tª uso: desde –268 hasta 288ºC. •   Procesado por sinterizado (complejo y costoso). •   Marca registrada: Teflón®.

POM (polióxido de metileno)

CH2 O n

•   Cristalino y compacto, procede del formaldehído. •   Alta dureza, rigidez y estabilidad dimensional (no higroscópico). •   Alta toxicidad en su descomposición. •   Marca registrada: Acetal®.

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PA (poliamida)

Hexametilendiamina + Ácido adípico → PA6·6 + H2O (condensación).

C6 H11 NO n

•   Aplicaciones técnicas. •   Posibilidad de fibrado (textil). •   Marca registrada: Nylon®.

CO CO NH NH

PPTA (parafenilenotereftalamida) •   Poliamida aromática. •   Marcas registradas: Kevlar29®.

Kevlar49®. n

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Termoestables: también llamados duroplásticos o termoendurecibles. No toleran ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento como lo hacen los termoplásticos. Con calentamiento inicial, se ablandan y fluyen para ser moldeados, pero las temperaturas elevadas producen una reacción química que endurece el material y lo convierte en un sólido no fundible. Si se recalienta, se degradan por pirólisis en lugar de ablandarse. Son polímeros de cadenas entrecruzadas y estructura reticulada, mostrándose más duros, más resistentes y más frágiles que los termoplásticos.

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PF (resina fenólica)

•   Acabado oscuro poco estético. •   Alta rigidez. •   En polvo o líquido con capacidad de impregnación y unión (adhesivo). •   Marca registrada: Bakelita®. •   Bolas de billar, tableros de aglomerado (aglutina virutas de madera).

MF (melamina-formaldehido)

•   Dureza elevada (servicios de mesa). •   Resistencia al agua. •   En láminas, recubrimientos de suelos y muebles.

•   Marca registrada: Formica®.

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UP (resina de poliéster)

•   Reticulado de cadenas con estirenos no saturados.

•   Matriz para refuerzo con fibra de vidrio - Cascos de barco. - Carrocerías de coche. - Cascos de protección. - Tanques de almacenamiento.

EP (resina epoxi)

•   Reticulado en base a dos componentes activados térmicamente. •   Alta resistencia y compatible con f. de vidrio. •   Buen aislante de calor y humedad (pinturas). •   Gran adhesivo compatible acero y hormigón.

CH2 CH Radical

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Elastómeros: (o cauchos) son polímeros que exhiben una extrema extensibilidad elástica cuando se someten a esfuerzos mecánicos relativamente bajos. Algunos elastómeros pueden estirarse alargando diez veces su longitud y luego recuperan completamente su forma original.

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NR (caucho natural) •   Materia prima: Látex (árbol «Hevea Brasiliens»).

•   Goodyear 1839. Vulcanizado.

•   Grado de vulcanizado (%S). Aporta diferentes grados de dureza.

•   Limitación de aplicaciones por su acabado estético.

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Cauchos sintéticos

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•   El ligamiento cruzado: introducción de un peróxido. •   T uso hasta 315ºC. •   Precio elevado. •   Sellados y aislamientos.

SI (siliconas)

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•   Flexible: estructuras de célula abierta (esponjas). •   Semirrígida: estructura intermedia (asientos, apoyabrazos). •   Rígida: estructura de célula cerrada (muebles, aislantes térmicos).

PUR (espumas)

R NH COO R

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Mezclado en frío (caída libre) Mezclado en caliente (mezclador rápido)

ADITIVOS: •  Antioxidantes. •  Estabilizantes a la luz. •  Lubricantes. •  Plastificantes. •  Pigmentos. •  Refuerzos y cargas.

16.4 FABRICACIÓN DE POLÍMEROS

Preparación de la materia prima

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Plastificado Granulado

Triturado

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Extrusión Coextrusión

Extrusión-soplado

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Inyección

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Termoconformado

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Calandrado Hilado

Espumas

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